KR100793227B1 - 전동 벨트 - Google Patents

Abstract

복수 개의 스트랜드로 구성된 코드를 포함하는 부하 지탱부의 인장 코드(22)가 마련된 무단 벨트(10)로서, 상기 벨트에서 스트랜드는 파라계-아라미드와 PVP로 된 섬유를 포함하는 무단 벨트와,

무단 벨트(10)의 굴곡 피로 저항과 내구성을 높이는 방법으로서, 벨트의 부하 지탱부의 인장 코드(22)를 위해 파라계-아라미드와 PVP를 포함하는 섬유로 구성된 얀을 선택하는 단계로 구성된 무단 벨트의 굴곡 피로 저항과 내구성을 높이는 방법이 개시되어 있다.

Description

전동 벨트{POWER TRANSMISSION BELT}

본 발명은 부하 지탱용 코드(load carrier cord)를 구비하는 무단 벨트에 관한 것으로서, 특히 상기 부하 지탱용 코드가 제2 중합체와 복수 개의 파라계-아라미드(para-aramid) 섬유로 구성되는 벨트에 관한 것이다.

복수 개의 얀(yarn)으로 구성되는 부하 지탱용 코드를 채택하는 무단 벨트 및 여타의 고무 복합체 물품의 구성에 있어서, 고강도 섬유를 사용하여 부하 지탱용 코드를 형성하는 것이 알려져 있다. 예를 들어, 자동차 및 일부 공업용 용례에 사용하도록 의도된 구성에 있어서, 부하 지탱용 코드를 형성하는 섬유로서 파라계-아라미드, 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 및 폴리-피-페닐렌 벤조비스옥사졸(PBO)과 같은 재료를 사용하는 것이 알려져 있다.

특히, 한정하는 것은 아니지만, 전기기계식 구동장치와 같은 현대의 다기능 자동차 용례를 비롯한 자동차 용례에 사용하기 위한 다중 V 리브 벨트, 동기 혹은 치형 벨트와 V 벨트 분야에서, 벨트의 굴곡 피로 저항과 부하 지탱 능력 모두에 대한 성능 요건이 급격히 높아지고 있다. PEN, PBO 및 파라계-아라미드로 구성된 코드를 비롯하여 높은 물성 계수를 갖는 코드들은, 코드의 높은 부하 지탱 능력 때문에 전술한 목적에 적합하지만, 굴곡 피로 저항이 상대적으로 낮은 것으로 알려져 있다. 상기 코드로 형성된 벨트의 굴곡 피로 저항을 개선하기 위한 시도들, 예를 들어 플라이 코드(plied code) 혹은 꼬임 수준을 높인 코드 대신 브레이드 코드(braided code)를 사용하여 코드의 구조를 바꾸려는 시도들이 있었다. 그러나, 그러한 방법들은 일반적으로 제작 비용을 증가시키고 전체 코드의 강성과 물성 계수를 낮추는 경향이 있어서 재료의 효용을 떨어뜨린다.

무단 벨트 혹은 유사한 고무 복합체 물품에 통합하도록 포함되는 코드로서, 부하 지탱 능력과 굴곡 피로 저항의 균형이 우수한 부하 지탱용 코드에 대한 요구가 상존한다.

본 발명은 복수 개의 섬유를 포함하는 부하 지탱용 코드를 구비한 무단 벨트에 관한 것으로서, 상기 섬유는 파라계-아라미드와 폴리비닐피로리돈(PVP)을 포함한다.

다른 실시예에 있어서, 본 발명은 벨트의 부하 지탱부 내에 상기 부하 지탱용 코드를 구비한 다중 V 리브 벨트, V 벨트 또는 치형 벨트 등의 무단 벨트를 제공한다.

또 다른 실시예에 있어서, 섬유의 파라계-아라미드는 폴리(피-페닐렌 테레프탈아미드)(PPD-T)이고, 섬유는 파라계-아라미드의 중량을 기준으로 3 내지 30 중량%의 PVP를 포함한다.

더불어, 무단 벨트의 굴곡 피로 저항과 내구성을 증가시키는 방법도 제공되며, 이 방법은 벨트의 부하 지탱용 코드를 위해 파라계-아라미드 섬유와 PVP를 포함하는 얀을 선택하는 단계를 포함한다.

첨부한 도면은, 명세서에 포함되어 그 일부를 구성하는 것으로서, 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 도면에서 동일한 번호는 동일한 부품을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 구성된 다중 V 리브 벨트의 일부를 도시하는 부분 단면 사시도이다.

도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 구성된 V 벨트의 일부를 도시하는 부분 단면 사시도이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 구성된 동기 전동 벨트의 일부를 도시하는 부분 단면 사시도이다.

도 4는 도 1의 벨트의 모식적인 사시도로서, 벨트는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 구동 조립체 내에서 2개의 풀리 둘레를 이동한다.

도 5는 본 발명의 실시예를 기술하는 데 사용된 내구성 실험 구성을 모식적으로 나타낸 도면이다.

도 6은 본 발명의 실시예를 기술하는 데 사용된 굴곡 피로 저항 실험 구성을 모식적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다중 V 리브 벨트(10)가 개괄적으로 도시되어 있다. 상기 다중 V 리브 벨트(10)는 엘라스토머 벨트 본체부(12) 또는 언더코드, 그리고 엘라스토머 벨트 본체부(12)의 안쪽 둘레를 따라서 위치한 시브 접촉부(14)를 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 "시브"라는 용어는 전동 벨트와 함께 사용되는 통상적인 풀리와 스프로켓(sprocket) 및 롤러 등의 기구를 포함한다. 도 1의 벨트의 특정한 시브 접촉부(14)는 교대로 나타나는 상승 부분 혹은 정점부(36)와 복수 개의 홈부(38)로 구성되는 동시에 그 사이에 대향 측면을 형성하는 복수 개의 리브(rib) 형태이다. 도 1 및 도 2의 각 예에 있어서, 시브 접촉부(14)는 엘라스토머 벨트 본체부(12)와 일체로 이루어지며, 후술하는 바와 같이 동일한 엘라스토머 재료로 구성될 수 있다. 그러나, 도 3의 시브 접촉부(14)는 동기 전동 벨트 제작 과정에서 통상적으로 사용되는 바와 같이 보다 상세히 후술하는 강화 섬유(24)를 포함할 수 있으며, 이에 따라 본 발명의 상기 실시예에서 엘라스토머 벨트 본체부(12)의 재료와 다른 재료로 구성된다.

인장부 혹은 부하 지탱부(20)는 엘라스토머 벨트 본체부(12) 위에 위치하여 벨트(10)를 유지하고 벨트에 강도를 제공한다. 도시된 형태에 있어서, 인장부는 적어도 1개의 종방향으로 연장된 인장 코드(22)를 포함한다. 상기 인장 코드에 대해서는 이후에 상술하는데, 상기 인장 코드는 벨트의 길이방향을 따라 정렬된다. 그리고, 인장 코드는 본 발명의 다양한 실시예에 따라 보다 상세히 후술하는 점착성 고무 부재(18)와 적어도 부분적으로 접촉하거나 점착성 고무 부재에 매립된다. 숙련된 당업계의 종사자라면, 도 1 및 도 2에서는 상기 점착성 고무 부재(18)를 벨트의 다른 엘라스토머 부분과 시각적으로 구분하기 위해 과장된 형태로 표현하고 있음을 충분히 인지할 것이다. 점착성 고무 부재(18)와 엘라스토머 벨트 본체부(12) 중 하나만 섬유가 충전된 경우를 제외하면, 실제로 경화된 복합체는 흔히 둘러싸는 엘라스토머 벨트 본체부와 시각적으로 구분되지 않는다. 점착성 고무 부재(18)는 실제로 엘라스토머 벨트 본체부(12)와 같은 재료일 수도 있다.

(도 1에 도시되지 않은) 강화 섬유는 선택적으로 사용할 수 있으며, V 벨트와 다중 V 리브 벨트의 경우, 벨트의 페이스 커버 또는 오버코드를 형성하도록 시브 접촉부(14)에 대향하여 벨트면을 따라 밀착된다. 상기 섬유는 어떤 원하는 각도에서도 날실과 씨실로 구성되는 통상적인 직물과 같은 바람직한 구조이거나, 타이어 코드 섬유로 예시된 바와 같이 적정 간격으로 배치된 픽 코드(pick cord)에 의해 함께 유지되는 날실로 구성되거나, 편물 혹은 편조물 구조이거나, 부직포 등과 같은 구조일 수 있다. 상기 섬유는 엘라스토머 벨트 본체부(12)와 동일하거나 상이한 엘라스토머 복합체로 마찰 코팅하거나 수지 코팅된다. 한 겹 이상의 섬유가 채용될 수도 있다. 필요에 따라, 스트랜드(strand)가 벨트의 주행 방향과 소정 각도를 형성하도록, 상기 섬유를 절단하거나 그렇지 않으면 비스듬히 정렬할 수도 있다. 도 2에 상기 강화 섬유의 사용에 대한 실시예를 도시하고 있는데, 이때 고무 수지로 코팅된 타이어 코드 섬유(29)는 과장된 형태로 표현되어 있다.

도 2는 표준적인 노치 V 벨트(26)를 도시한 것이다. V 벨트(26)는 도 1에 도시된 것과 유사한 엘라스토머 벨트 본체부(12) 및 인장부 혹은 부하 지탱부(20)를 포함한다. 이때, 인장부 혹은 부하 지탱부는 도 1에 도시된 것과 유사한 선택적인 점착성 고무 부재(18)에 매립된 한 개 이상의 인장 코드(22) 형태이다. V 벨트(26)의 엘라스토머 벨트 본체부(12), 점착성 고무 부재(18) 및 부하 지탱부(20)는 도 1에서 전술한 바와 같이 동일한 재료로 구성될 수도 있다.

V 벨트(26)도 도 1의 다중 V 리브 벨트(10)와 같이 시브 접촉부(14)를 포함한다. 엘라스토머 벨트 본체부(12)의 측면 혹은 도시된 바와 같은 V 벨트의 경우 압축부의 측면이 벨트(26)의 구동면으로서 작용한다. 도시된 실시예의 경우, 시브 접촉부(14)는 노치 함입면 혹은 홈부(28)와 치형 돌출부(30)가 번갈아 반복되는 형태이다. 상기 번갈아 반복되는 함입면(28)과 치형 돌출부(30)는 작동 중에 시브 접촉부(14)가 풀리 주위를 지날 때 휨 응력을 분산시키고 최소화하기 위해 도시된 바와 같이 거의 사인 곡선의 경로를 따르는 것이 바람직하다.

도시된 실시예에서 V 벨트(26)는 로우 엣지 벨트(raw-edged belt) 형태이지만, 전술한 바와 같이 강화 섬유(29)를 도시된 벨트의 페이스 커버나 오버코드로서 채용할 수도 있거나 벨트를 완전히 둘러싸서 밴드형 V 벨트를 형성할 수도 있다.

도 3에는 치형 벨트(32)가 도시되어 있다. 상기 치형 벨트(32)는 도 1과 도 2의 벨트의 경우와 같이 엘라스토머 벨트 본체부(12) 및 시브 접촉부(14)를 포함하고, 도 1과 도 2의 벨트에 대해 전술한 바와 같이 부하 지탱부(20)도 포함한다. 그러나, 동기 전동 벨트(32)의 경우, 시브 접촉부(14)는 치형부(16)와 랜드부(19)가 번갈아 반복되는 형태이다. 도 1과 도 2의 벨트에 대해 전술한 바와 같이 강화 섬유(24)는 페이스 커버를 형성하도록 사용될 수도 있으며, 이 경우 번갈아 반복되는 벨트의 치형부(16)와 랜드부(19)를 따라서 밀착된다.

상기 도 1 내지 도 3의 각 경우에 있어서, 엘라스토머 벨트 본체부(12)는 통상적인 및/또는 적절한 경화 엘라스토머 합성물로 구성될 수 있으며, 임의의 점착성 고무 부재(18)와의 관계에 따라 아래 기술하는 것과 동일하거나 혹은 다른 합성물로 구성할 수 있다. 전술한 목적으로 사용하기에 적절한 엘라스토머의 예로는 폴리우레탄 엘라스토머(폴리우레탄/우레아 엘라스토머도 역시 포함함)(PU), 폴리클로로프렌 고무(CR), 아크릴로니트릴 부타디엔 고무(NBR), 수소화된 NBR(HNBR), 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 알킬화 클로로설포네이티드 폴리에틸렌(ACSM), 에피클로로히드린, 폴리부타디엔 고무(BR), 천연 고무(NR) 및 에틸렌 프로필렌 공중합체(EPM), 에틸렌 프로필렌 디엔 삼원공중합체(EPDM), 에틸렌 옥텐 공중합체(EOM), 에틸렌 부텐 공중합체(EBM), 에틸렌 옥텐 삼원공중합체(EODM), 에틸렌 부텐 삼원공중합체(EBDM)와 같은 에틸렌 알파 올레핀 엘라스토머나 실리콘 고무 혹은 이들 중 2가지 또는 그 이상의 임의의 조합이 있다.

본 발명의 실시예에 따라 상기 엘라스토머 벨트 본체부(12)를 형성하기 위해, 통상적으로 채용되는 양의 충전제, 가소제, 경화제 및 촉진제를 비롯한 통상적인 고무 합성 성분과 엘라스토머를 혼합할 수 있다. 예를 들어, 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머 및 HNBR과 같은 디엔 엘라스토머에 사용하기 위하여, 결과물의 동적 성능을 개선하기 위해 일반적으로 통용되는 양의 알파-베타 유기산 중 한 가지 혹은 그 이상의 금속염이 채용될 수 있다. 따라서, 아연 디메타크릴레이트 및/또는 아연 디아크릴레이트를 약 1 내지 약 50 phr, 또는 선택적으로 약 5 내지 약 30 phr, 혹은 바람직하게는 약 10 내지 약 25 phr의 용량으로 상기 합성물에 사용할 수 있다. 더구나, 이들 물질들은 상기 합성물의 점착성에 기여하며, 당업계에 공지된 바와 같이 이온 교차 결합을 통해 과산화물 혹은 관련 작용제에 의해 경화시킬 때 중합체의 전체적인 교차 결합 밀도를 증가시킨다.

당업자라면 벨트의 엘라스토머 부분에 혹은 엘라스토머로서 사용하기에 적절한 어떤 종류의 합성물에 관해서도 잘 알고 있을 것이다. 다수의 적절한 엘라스토머 합성물은 예를 들어 R.T.Vanderbilt의 Rubber Handbook(13판, 1996년)에 기술되어 있고, EPM 및 EPDM 합성물과 특히 높은 인장 탄성율 물성을 갖는 합성물에 대해서는 미국 특허 제5,610,217호와 제6,616,558호에 각각 설명되어 있다. 상기 특허의 내용들은 전동 벨트의 엘라스토머 벨트 본체부에 사용하기에 적절한 다양한 엘라스토머 합성물과 관련하여 특히 본 명세서에 참고로써 포함된다. 이에 덧붙여, 본 발명의 다양한 실시예를 구현할 때 사용될 수 있는 몇 가지 PU 합성물에 관해서는, 예를 들어 Wu 등에 허여된 국제 공개 제WO 09692584호에 기술되어 있으며, 그러한 합성물에 관한 국제 특허 출원의 내용도 본 명세서에 참고로써 통합된다.

승용차의 보조적인 구동 장치 용례와 관련된 본 발명의 실시예에서, 엘라스토머 벨트 본체부(12)를 EPM, EPDM, EBM 또는 EOM 합성물과 같은 적절한 에틸렌 알파 올레핀 합성물로 구성할 수 있다. 에틸렌 알파 올레핀 합성물은 점착성 고무 부재에 채용된 조성과 동일하거나 다를 수 있다.

더욱이, 엘라스토머 벨트 본체부(12)에는 당업계에 공지된 바와 같이 불연속적인 섬유를 충전할 수 있는데, 한정하는 것은 아니지만 면, 폴리에스테르, 유리 섬유, 아라미드 및 나일론과 같은 재료들이 통상의 용량으로 사용되고, 짧은 섬유, 잘게 절단된 섬유, 분말 형태 혹은 펄프의 형태로 사용된다. (예를 들어, 절단 혹은 연삭을 통한) 프로파일 다중 V 리브 벨트와 관련된 바람직한 실시예에서는, 섬유의 상당 부분이 벨트의 진행 방향에 대해 대체로 횡방향으로 놓이도록 전술한 섬유 충전을 실시하고 구성하는 것이 바람직하다. 그러나, 유통 방법에 따라 제작 성형된 다중 V 리브 벨트 혹은 동기 전동 벨트의 경우, 일반적으로 섬유 충전은 상기와 같은 정도의 방향성이 부족하다.

본 발명의 한 가지 실시예에 따르면, 도 1 내지 도 3의 상기 몇 가지 실시예에서 기술한 바와 같은 합성 벨트 구조 내에서, 부하 지탱용 코드와 적어도 부분적으로 접촉하는 데 사용되는 상기 경화 합성물은 175 ℃, 0.09 도의 변형율 및 분당 2000회(cpm)의 빈도수 조건에서 측정했을 때에, 복소 탄성율 중 적어도 하나가 적어도 15,000 kPa이거나, 약 25,000 내지 약 100,000 kPa의 범위, 선택적으로 약 35,000 내지 약 75,000 kPa의 범위, 또는 약 40,000 내지 약 60,000 kPa의 범위에 있다. 그리고, 125 ℃, 크로스 헤드 속도 6 in/min (15.24 cm/min)에서 ASTM D412에 따라 측정한 인장 탄성율은 적어도 약 250 psi (1.724 MPa)이거나, 약 300 psi (2.068 MPa) 내지 약 5000 psi (34.47 MPa)의 범위 또는 약 350 psi (2.413 MPa) 내지 약 3000 psi (20.68 MPa)의 범위에 있다. 본 명세서에서, "복소 탄성율"이란 용어는 통상적으로 "G^*"로 기재되는 합성물의 복소 탄성율을 지칭할 때 사용되고, 동역학적 유동학 해석을 통해 결정된다. 상기 해석은, 예를 들어 미국 미주리주 세인트 루이스에 소재한 Monsanto Corporation사가 개발한 고무 공정 분석기 모델 No.2000로 예시되는 적절한 설비를 사용하여 수행될 수 있다. 이에 따른 부가적인 특징과 장점은 전술한 미국 특허 제6,616,558호에 더 상세히 기술되어 있고, 그 내용은 본 명세서에 참고로써 포함된다.

작동 중에, 도 1 내지 도 3에 예시된 바와 같은 벨트는, 도 4에 개략적으로 도시된 적어도 하나의 구동 풀리(42)와 하나의 종동 풀리(44) 주위에 걸려 있어 임의적으로 도시된 아이들러 풀리(46)와 함께, 벨트 구동부(40)에 포함된다.

이제 본 발명의 실시예에 따른 부하 지탱용 코드의 설명으로 돌아가면, 일반적으로 부하 지탱부(20)의 인장 코드(22)는 어떤 적절한, 혹은 제연 또는 편조와 같이 통상적인 구조일 수 있으며, 보통 하나 혹은 다수의 스트랜드로 이루어진다. 스트랜드는 자체로 어떤 적절한, 혹은 제연 또는 편조와 같은 통상적인 구조일 수 있으며, 대체로 한 개 혹은 다수의 얀으로 구성된다. "얀"이란 얀 제조업자로부터 받는 형태의 한 다발의 필라멘트 혹은 섬유를 지칭하며, 연사된 혹은 연사되지 않은 얀을 포함한다. "스트랜드"란 코드를 구성하는 중간 단계로서 연사된, 제연된 또는 편조된 얀을 지칭한다. 본 발명의 실시예에 있어서, 부하 지탱부(20)의 인장 코드(22)를 구성하는 적어도 하나의 스트랜드는 파라계-아라미드와 PVP로 된 섬유를 포함한다. 엔-비닐-2-피로리돈 단위체의 선형 중합의 결과물인 중합체를 PVP라 한다. PVP는 파라계-아라미드와 PVP의 상호작용을 간섭하는 농도보다 낮은 농도로 존재하는 소량의 공단량체를 포함한다.

본 발명에 따른 다양한 실시예들을 구현함에 있어서, 벨트 중 부하 지탱용 코드의 얀을 구성하는 섬유에서 PVP와 파라계-아라미드의 중량을 기준으로 어떤 유용한 조합도 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 적어도 한 가지 실시예에서, 섬유는 파라계-아라미드의 중량을 기준으로 PVP를 30 중량%까지 포함한다. 다른 실시예에서는, PVP의 양을 약 3 내지 약 30 중량%, 약 5 내지 약 25 중량% 또는 약 7 내지 약 20 중량%의 범위로 포함할 수도 있다. 대략 30 중량%가 넘으면, 섬유의 물성이 나빠진다. 3 중량% 미만이면, PVP로 인한 이로운 효과들을 찾아보기 어렵다.

파라계-아라미드는 2개의 방향족 환에 직접 연결된 아미드 결합이 있는 긴 고리 형태의 합성 폴리아미드를 지칭한다. 본 발명의 파라계-아라미드로서, PPD-T, 폴리(피-벤즈아미드), 코폴리(피-페닐렌/3,4'-옥시디페닐렌 테레프탈아미드)가 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 파라계-아라미드는 PPD-T이다. PPD-T는 피-페닐렌 디아민과 테레프탈로일 클로라이드의 몰 대 몰 중합의 결과물인 단일중합체를 지칭하며, 또한 피-페닐렌 디아민과 소량의 다른 디아민 그리고 테레프탈로일 클로라이드와 소량의 다른 이염기산(diacid) 클로라이드의 합성에 의한 공중합체를 가리킨다. 일반적으로, 다른 디아민과 다른 이염기산 클로라이드는 피-페닐렌 디아민 혹은 테레프탈로일 클로라이드의 10 몰%까지 사용될 수 있으며, 만약 다른 디아민과 이염기산 클로라이드가 중합 반응을 방해하는 반응그룹에 속하지만 않는다면, 아마도 좀 더 많은 양도 가능할 것이다. 또한, PPD-T는 다른 방향족 디아민과, 예를 들어 2,6-나프탈로일 클로라이드 혹은 클로로- 또는 디클로로-테레프탈로일 클로라이드와 같은 다른 방향족 이염기산 클로라이드의 합성에 의한 공중합체를 의미한다. 단, 이것은 다른 방향족 디아민과 방향족 이염기산 클로라이드가 이방성의 방사 도프를 준비할 수 있는 양만큼 존재할 때만 해당한다.

PPD-T와 PVP 조합의 도프에 대한 방사 공정을 비롯하여 적합한 섬유와 상기 섬유의 제조 공정은, 예를 들어 Lee에게 허여된 미국 특허 제5,135,687호에 개시되어 있으며, 그 관련 내용은 본 명세서에 참고로써 포함된다.

본 발명의 실시예에 따른 부하 지탱용 코드의 섬유는 필라멘트 강도가 15 gpd(gram per denier)를 넘어야 하며 비강도가 17 gpd를 초과해야 한다. 섬유는 어떤 적절한 및/또는 통상적인 단면 형상을 취할 수 있지만, (본 명세서에 참고로써 통합되는) 미국 특허 제5,135,687호에 기술된 것처럼 습식 방사, 보다 구체적으로는 에어 갭 방사법에 의해 제작된 경우, 본 발명에 따른 실시예를 구현하기에 유용한 섬유는 일반적으로 단면 형상이 원형에서 벗어난다.

본 발명의 실시예에 따르면, PPD-T와 PVP를 포함하는 섬유의 밀도는 상기 미국 특허 제5,135,687호에 개시된 바와 같이 섬유 중 PVP의 농도에 따라 변할 수 있다. 그리고, 본 발명의 실시예에 있어서, 섬유의 밀도는 PVP의 농도가 낮은 경우에 약 1.45 g/cc부터 PVP의 농도가 약 7 내지 12 %일 때 약 1.36 g/cc까지의 범위이다. 그러나, (본 명세서에 참고로써 통합되는) 상기 미국 특허 제5,135,687호에 기술된 바와 같이, 섬유의 밀도는 더 높을 수도 혹은 더 낮을 수도 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 부하 지탱용 코드는 PPD-T와 PVP로 된 1개 혹은 그 이상의 섬유로 구성된다. 이때, 적절한 및/또는 통상적인 기법을 통해 섬유를 배열하고 형성하여 얀을 구성한다. 상기 얀을 후술하는 바와 같이 적절히 배열하여 코드를 구성한다. 이후에 코드를 나선형으로 감싸고 통상적으로 배열하여 벨트의 엘라스토머 부분의 적어도 일부분과 접촉시키거나 벨트의 엘라스토머 부분 내에 매립하고, 종방향, 즉 무단 벨트나 유사한 고무 합성물의 이동 방향으로 배치한다. 상기 벨트의 엘라스토머 부분은, 예를 들어 점착성 고무 부재(18)를 가리키거나, 만약 점착부가 생략되거나 점착부에 엘라스토머 벨트 본체부와 동일한 재료를 사용하는 경우라면 엘라스토머 벨트 본체부(12)를 지칭한다.

실시예에 따라 PPD-T와 PVP를 포함하는 섬유로 구성되는 부하 지탱용 코드 및/또는 얀은 어떤 적절한 및/또는 통상적인 재료와 처리 공정을 사용해서 1가지 혹은 그 이상의 점착성 합성물로 처리하여, 당업계에 공지된 바와 같이 제품 중 주위의 엘라스토머 성분에 대해 점착성을 갖게 하거나 또는 점착성을 향상시킨다. 예를 들어, 필라멘트를 상호 접착시키고 벨트의 엘라스토머 부분에 대한 코드의 점착성을 높이기 위해, 코드는 점착 물질을 사용하여 처리할 수 있다. 한 가지 실시예에 따르면, 상기 코드는 일차적으로 프라이머를 사용하여 처리하는데, 프라이머는 수용액 계통이거나 폴리이소시아네이트 및 에폭시 화합물과 같은 용매 계열일 수도 있다. 전술한 바와 같이 처리된 코드는 이후 통상적인 점착물질 또는 그렇지 않으면 리소시놀 포름알데히드 라텍스(RFL)와 같은 적절한 점착물질로 처리된다. 각 처리 이후에, 코드는 일반적으로 점착물질을 건조하고 경화시키기 위해 100 ℃에서 260 ℃ 정도의 온도에서 한 개 또는 일련의 오븐을 통과한다. 이후에 선택적으로 상기 코드는 추가적인 점착력 향상을 위해 부가적인 보호용 코팅, 예를 들어 Lord Corporation사의 상표인 CHEMLOK 혹은 다른 적절한 고무 시멘트를 사용하여 처리될 수 있다.

다른 방법으로는, 예를 들어 주위의 엘라스토머 성분이 PU 엘라스토머인 경우, 상기 처리를 프라이머의 적용으로 한정하거나, 더 많이 변경하거나 혹은 모두 배제할 수 있다. 그러나, 어떤 적절한 코드 처리 공정을 채용할 수 있고, 예컨대 미국 특허 제5,807,194호에는 PU계 무단 벨트에 사용되는 코드의 처리 방법이 개시되어 있고, 그 내용은 본 명세서에 참고로써 통합된다.

본 발명의 실시예에 따라 PPD-T와 PVP로 이루어진 섬유로 구성되는 코드의 개수, 굵기, 꼬임 및 다른 구조적 매개변수들은 한정되지 않으며, 소기의 용례에서 요구되는 어떤 적절한 및/또는 통상적인 상기 매개변수들이 채용될 수 있다는 것은 예상이 가능하다. 전술한 바와 같이, 각각의 섬유 또는 얀은 스트랜드를 구성하기 위해서 제연되거나 (다시 말하면 연사되거나) 또는 편조될 수 있고, 더불어 상기 스트랜드도 본 발명의 다양한 실시예에 따라 코드를 구성하기 위해 제연되거나 편조될 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 벨트를 구성하기 위해, 임의의 적절한 및/또는 통상적인 방법을 사용할 수도 있다. 예를 들어, 주조가 불가능한 벨트 엘라스토머, 즉 밀링가능한 고무가 섬유 충전과 함께 혹은 섬유 충전 없이 사용되는 경우, 벨트 제작 공정의 단계에는, 치형부, 리브 또는 노치 형성을 위해 홈이 마련된 적절한 형상의 몰드 캐비티 안에 혹은 적절한 구성의 벨트 성형 드럼이나 맨드릴 위에 전술한 바와 같이 임의의 직물 커버 요소를 위치시키는 단계, 직물 둘레에 1개 혹은 그 이상의 인장 코드를 나선형으로 감는 것과 같은 방법으로 직물 커버 요소의 제2 표면에 대해 부하 지탱용 코드를 배치하는 단계, 인장 부재에 대해 엘라스토머 재료를 배치하는 단계, 소정의 구조에서 필요한 대로 상기 인장 부재에 대해 인장 부재 및/또는 엘라스토머 재료를 추가적으로 번갈아가면서 배치하는 단계, 엘라스토머 재료를 경화 또는 가황처리하기 위해 충분한 온도와 압력을 가하는 단계, 그리고 몰드 캐비티 혹은 맨드릴로부터 조립체를 제거하는 단계가 포함된다.

주조 가능한 엘라스토머 벨트 본체부를 사용하는 경우, 예를 들어 치형 PU 벨트를 제작하는 경우, 제작 단계에는 전술한 단계 이외에도 홈이 마련된 주조부에 직물 커버 요소의 제1 표면이 인접하도록 홈이 마련된 주조부의 표면 둘레를 내마모성 직물로 선택적으로 감싸는 단계, 직물 둘레에 1개 혹은 그 이상의 인장 코드를 나선형으로 감는 것과 같은 방법으로 내마모성 직물 둘레에 하중 지탱용 코드를 부착하는 단계, 몰드 캐비티에 실질적으로 액상인 엘라스토머 재료를 주입하는 단계, 그리고 이에 따라 형성된 결과물을 중합하는 단계가 포함된다. 더불어 상기 벨트의 치형부는 곡선, 사다리꼴 등을 포함하여 어떠한 적절한 형상도 가능하다.

PEN, PBO 및 아라미드와 같이 매우 큰 물성 계수의 물질을 부하 지탱용 코드의 섬유로 선택하여 무단 벨트의 내구성을 높이려는 이전의 시도들은 일반적으로 굴곡 피로 저항을 감소시키는 결과를 초래한다고 알려져 있다. 본 발명은 부하 지탱용 코드를 구성하는 섬유로서 파라계-아라미드와 PVP의 조합을 사용함으로써 이들 문제들을 극복한다. 그리고, 본 발명의 한 가지 실시예에서 파라계-아라미드는 PPD-T이다. 이러한 조합은 통상적으로 전술한 목적에 적합하다고 알려져 왔던 것보다 상대적으로 부드러운, 즉 낮은 물성 계수의 코드를 구성하는 반면, 부하 지탱용 코드로서 동일한 파라계-아라미드 섬유를 채용하되 PVP 성분을 뺀 대체로 동일한 벨트에 비해서 예상외로 부하 지탱 능력과 굴곡 피로 저항 모두가 상당히 증가하는 결과를 보인다.

본 발명의 실시예의 다양한 장점을 설명하기 위해서, 다수의 무단 다중 V 리브 벨트를 제작하였는데, 상기 벨트들은 각각 부하 지탱용 코드의 유형을 제외하고는 상호 거의 동일하였다. 각 경우에 사용한 몰드는 외경이 1225 ㎜이었다. 각 경우, 벨트는 3개의 리브를 포함하며, 각 예에서 엘라스토머 벨트 본체부는 전술한 미국 특허 제5,610,217호에 개괄적으로 기술된 바와 같이 통상적인 EPDM계 합성물이었다. 부하 지탱용 코드가 매립된 점착성 고무는 통상의 EPDM계 합성물과 유사하였다. 더불어 각 벨트는 배면 직물을 포함한다. 본 발명의 실시예에 따라 제작된 벨트와 종래 기술의 비교용 벨트에 있어서, 부하 지탱용 코드의 굵기는 각 경우에 1000-1/4 규격과 동일한 4000 데니어였으며, 이 경우 1000 데니어의 얀을 우선 1인치당 9회의 비율로 각각 Z방향으로 연사한 후, 이와 같이 연사한 4개의 스트랜드를 1인치당 5회의 비율로 반대방향으로 연사하였다. 본 발명의 실시예에 따라 제작된 벨트의 경우, 섬유는 PVP가 13 중량% 포함된 PPD-T인 반면, 종래 기술의 벨트의 경우, 섬유는 동일한 PPD-T이지만 PVP가 포함되지 않았다. 각 경우에, 코드에 사용할 섬유는 E.I DuPont de Nemours and Company사에서 공급받았으며, 상기 PPD-T/PVP 섬유에 관해서는 (본 명세서에 참고로써 통합되는) 상기 미국 특허 제5,135,687호에 기술된 바와 같이 에어 갭 방사법에 따라 제조된 것으로 알고 있다.

각 경우에 있어서, 얀 및 얀으로 구성되는 코드는 우선 얀에 이소시아네이트 계 프라이머를 적용하는 단계, 다음으로 주위 벨트 재료와 융화성을 갖는 종래의 RFL로 처리하는 단계, 그리고 이후 연사된 코드에 Lord Corporation사의 상표명 CHEMLOK이라는 점착성 합성물로 처리하는 단계로 구성되는, 전술한 바와 같은 통상적인 3단계 점착 시스템을 채용하였다. 코드와 상용의 EPDM 계열 점착성 고무 사이의 점착도는 ASTM D-413에 기초한 박리 부착 시험을 사용하여 평가하였다. PPD-T/PVP 코드와, PVP를 포함하지 않은 PPD-T 코드의 점착도 사이에는 주목할만한 차이가 발견되지 않았다.

각 벨트에 있어서, 아래 표 1에 제시된 인장 물성치들은 ASTM D885에 따라 측정되었다. 내구성은 도 5에 도시된 실험 구성을 사용하여 측정되었으며, 아래에 상술하였고, 벨트의 굴곡 피로 저항은 도 6에 제시된 실험 구성을 이용하여 측정되었으며, 아래에 상술하였다.

내구성 해석에 있어서, 도 5에 개략적으로 제시한 바와 같이, 벨트는 2개의 다중 홈이 마련된 주(主) 풀리(50,52), 다중 홈이 마련된 내부 텐셔닝 아이들러(54) 및 후방 아이들러(56)의 둘레에 걸려 있다. 2개의 주 풀리는 직경이 120.65 ㎜, 후방 아이들러의 직경은 76.2 ㎜, 텐셔닝 아이들러의 직경은 44.45 ㎜이었다. 벨트는 풀리(50)에 의해 작동되었는데, 풀리는 100 ℃에서 4900 rpm으로 구동되며, 12.7 ㎾의 전력을 사용하고, 인장 코드의 파열 혹은 떨어져 나온 고무 덩어리로 확인되는 파괴점까지 77.1 kg의 일정한 수평방향 장력에서 24.7 Nm의 토크로 작동되었다.

굴곡 피로 저항 해석에 있어서, 도 6에 개략적으로 도시한 바와 같이, 2개의 다중 홈을 가진 풀리(60,63)와 4개의 플랫 아이들러(61,62,64,65)의 둘레에 벨트가 걸려 있다. 다중 홈을 가진 풀리의 직경은 38 ㎜, 플랫 아이들러(62,64)의 직경은 50.8 ㎜, 그리고 플랫 아이들러(61,65)의 직경은 17.45 ㎜이었다. 벨트는 풀리(60)에 의해 작동되었는데, 풀리는 상온에서 8200 rpm으로 구동되고, 인장 코드의 파열 혹은 떨어져 나온 고무 덩어리로 확인되는 파괴점까지 부품(63)에 45.36 kg의 수직방향 장력이 작용하였다.

각 경우에 대해 두 번의 실험를 통해 해석을 수행하였으며, 각 실험의 결과는 아래에 개별적으로 제시되어 있다. 첫 번째 실험의 경우, 그 결과는 아래 표 1에 제시되어 있으며, 굴곡 피로 저항과 내구성 해석 각각에 대해 2개의 동일한 벨트로 실험하였고 각 경우에 대해 2회 결과의 평균을 제시하고 있다.

	코드를 구성하는 섬유	Tb(㎏)	Eb(%)	1% 연신율에서의 하중(㎏)	2% 연신율에서의 하중(㎏)	굴곡 피로 저항 (시간)	내구성 (시간)
1차실험,예 1	PPD-T/PVP	60.5	3.7	17.3	33.2	193	260
1차실험,비교예 A	PPD-T	59.1	3.1	17.7	37.3	139	190

두 번째 실험의 경우, 이에 대한 결과는 아래 표 2에 제시되어 있으며, 굴곡 피로 저항과 내구성 해석 각각에 대해 4개의 동일한 벨트로 실험하였고 각 경우에 대해 4회 결과의 평균을 보여주고 있다.

	코드를 구성하는 섬유	Tb(㎏)	Eb(%)	1% 연신율에서의 하중(㎏)	2% 연신율에서의 하중(㎏)	굴곡 피로 저항 (시간)	내구성 (시간)
2차실험,예 1	PPD-T/PVP	54.1	3.5	15.9	31.4	76	251
2차실험,비교예 A	PPD-T	60	3.5	17.3	34.5	60	229

세 번째 실험의 경우, 예 1과 또한 비교예 A에 해당하는 상기 벨트에 대해 전술한 방식과 같이 제작된 2개의 벨트를 대상으로 내구성을 재평가하였다. 세 번째 실험에서는, 본 발명에 따라 제작된 벨트에 대한 2회 결과의 평균이 191 시간이었고, 비교예 A의 평균은 151 시간이었다.

표에 제시된 상기 결과와 전술한 기술내용으로부터 (특히, 각각 연신율 2%에서의 하중값에서 보인 바와 같이) 코드의 물성 계수는 실제로 더 낮은 반면, 본 발명의 실시예에 따라 제작된 벨트의 굴곡 피로 저항은 종래 기법에 따라 제작된 벨트보다 27~39 % 정도 크다는 것과, 상기 벨트의 벨트 내구성이 종래 기법의 비교용 벨트보다 10~37 % 정도 크다는 것을 알 수 있다.

전술한 예는 특별히 EPDM 엘라스토머 벨트 본체부를 갖는 다중 V 리브 벨트에 대해 기술하고 있지만, 당업자라면, 본 발명이 전술한 경우에 한정되지 않는다는 것과, 높은 내구성 (즉, 부하 지탱 능력의 보유) 및 유연성을 동시에 요구하는 임의의 용례, 예를 들어 발전기 스타터 조립체와 보조 구동장치와 같이 다기능 승용차에서 사용되는 벨트나, HNBR 혹은 PU 등으로 이루어진 승용차 및 공업용 타이밍 벨트와 같은 경우에도, 본 발명의 장점이 나타날 것이라는 점을 충분히 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 하나의 실시예를 통해 전동 벨트의 부하 지탱용 코드의 섬유로 파라계-아라미드와 PVP를 포함하거나 실질적으로 이들로 이루어지는 섬유를 선택함으로써, 그리고 전술한 바와 같이 PPD-T와 PVP를 포함하거나 실질적으로 이들로 이루어지는 실시예에서, 종래 기법에 따라 제작된 벨트에 비해 전동 벨트의 굴곡 피로 저항과 내구성을 동시에 높이는 방법을 더불어 제공하고 있다.

본 발명에 대해 설명을 목적으로 상세히 기술하였지만, 전술한 세부내용은 단지 상기 목적만을 위한 것이며, 청구범위에 의해 제한되는 경우를 제외하고는 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고도 당업계의 숙련자에 의해 다양한 변형이 가능하다는 점을 이해해야만 한다. 본 명세서에 개시된 발명은 본 명세서에 구체적으로 개시되지 않은 어떤 요소들이 없이도 적절히 실시가 가능하다.

Claims (16)

1. 무단 벨트로서, 엘라스토머 벨트 본체부와 시브 접촉부를 구비하고, 상기 엘라스토머 벨트 본체부 내에 부하 지탱용 코드가 매립되며, 상기 부하 지탱용 코드는 파라계-아라미드와 폴리비닐피로리돈을 구비하는 복수 개의 섬유를 포함하는 것인 무단 벨트.
2. 제1항에 있어서, 다중 V 리브 벨트, V 벨트 및 치형 벨트에서 선택되는 것인 무단 벨트.
3. 제1항에 있어서, 상기 파라계-아라미드는 폴리(피-페닐렌 테레프탈아미드)인 것인 무단 벨트.
4. 제1항에 있어서, 상기 섬유는 상기 파라계-아라미드의 총 중량을 기준으로 폴리비닐피로리돈을 30 중량% 이하로 포함하는 것인 무단 벨트.
5. 제3항에 있어서, 상기 섬유는 실질적으로 상기 폴리(피-페닐렌 테레프탈아미드)와 상기 폴리비닐피로리돈으로 이루어지는 것인 무단 벨트.
6. 제3항에 있어서, 상기 폴리비닐피로리돈이 상기 섬유에 존재하되, 상기 폴리(피-페닐렌 테레프탈아미드)의 총 중량을 기준으로 3 내지 30 중량%의 범위의 양이 존재하는 것인 무단 벨트.
7. 제3항에 있어서, 상기 폴리비닐피로리돈이 상기 섬유에 존재하되, 상기 폴리(피-페닐렌 테레프탈아미드)의 총 중량을 기준으로 5 내지 25 중량%의 범위의 양이 존재하는 것인 무단 벨트.
8. 제3항에 있어서, 상기 폴리비닐피로리돈이 상기 섬유에 존재하되, 상기 폴리(피-페닐렌 테레프탈아미드)의 총 중량을 기준으로 7 내지 20 중량%의 범위의 양이 존재하는 것인 무단 벨트
9. 제3항에 있어서, 상기 엘라스토머 벨트 본체부는 경화 엘라스토머 합성물을 포함하는 것인 무단 벨트.
10. 제9항에 있어서, 상기 경화 엘라스토머 합성물은,

    a) 폴리우레탄 엘라스토머;

    b) 폴리클로로프렌 엘라스토머;

    c) 아크릴로니트릴 부타디엔 엘라스토머;

    d) 수소화 아크릴로니트릴 부타디엔 엘라스토머;

    e) 스티렌-부타디엔 엘라스토머;

    f) 알킬화 클로로설포네이티드 폴리에틸렌;

    g) 에피클로로히드린;

    h) 폴리부타디엔 엘라스토머;

    i) 천연 고무;

    j) 에틸렌 알파 올레핀 엘라스토머 및

    k) 실리콘 엘라스토머

    에서 선택되는 엘라스토머 중 1종 이상을 포함하는 것인 무단 벨트.
11. 제10항에 있어서, 상기 엘라스토머는 상기 에틸렌 알파 올레핀 엘라스토머이고, 상기 에틸렌 알파 올레핀 엘라스토머는,

    a) 에틸렌 프로필렌 공중합체;

    b) 에틸렌 프로필렌 디엔 삼중공중합체;

    c) 에틸렌 옥텐 공중합체;

    d) 에틸렌 부텐 공중합체;

    e) 에틸렌 옥텐 삼중공중합체 및

    f) 에틸렌 부텐 삼중공중합체

    에서 선택되는 1종 이상인 것인 무단 벨트.
12. 제1항에 있어서, 상기 부하 지탱용 코드 중 적어도 일부와 접촉하는 하나 이상의 점착성 합성물을 더 포함하는 것인 무단 벨트.
13. 엘라스토머 벨트 본체부와 상기 엘라스토머 벨트 본체부의 안쪽 둘레를 따라 위치하는 시브 접촉부, 그리고 상기 엘라스토머 벨트 본체부 위에 배치되며 벨트의 종방향을 따라 정렬된 인장부를 구비하며, 상기 인장부는 1개 이상의 부하 지탱용 코드를 포함하는 무단 다중 V 리브 벨트로서,

    상기 부하 지탱용 코드는 실질적으로 폴리(피-페닐렌 테레프탈아미드)와 폴리비닐피로리돈으로 이루어지는 다수의 섬유를 포함하며, 상기 폴리비닐피로리돈은 상기 섬유 내에 존재하되, 폴리(피-페닐렌 테레프탈아미드)의 총 중량을 기준으로 7 내지 20 중량%의 범위의 양이 존재하는 것을 특징으로 하는 무단 다중 V 리브 벨트.
14. 하나 이상의 구동 풀리와 하나의 종동 풀리 둘레에 걸려 있는 제1항에 따른 벨트를 구비하는 벨트 구동 장치.
15. 엘라스토머 벨트 본체부와 상기 엘라스토머 벨트 본체부 내에 매립된 부하 지탱용 코드를 구비하는 전동 벨트의 굴곡 피로 저항과 내구성을 증가시키는 방법으로서,

    상기 전동 벨트의 부하 지탱용 코드를 위해 파라계-아라미드와 폴리비닐피로리돈으로 된 섬유를 포함하는 얀을 선택하는 단계,

    상기 얀을 연사하거나, 제연하거나, 또는 편조하여 인장 코드로 만드는 단계 및

    상기 인장 코드를 상기 엘라스토머 벨트 본체부에 종방향으로 매립하는 단계

    를 포함하는 것인 전동 벨트의 굴곡 피로 저항과 내구성을 증가시키는 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 파라계-아라미드는 폴리(피-페닐렌 테레프탈아미드)인 것인 전동 벨트의 굴곡 피로 저항과 내구성을 증가시키는 방법.

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